センサ装置の製造方法
【課題】被覆体の縁部が基板の一面から剥がれることを防止することができるセンサ装置の製造方法を提供する
【解決手段】基板１０１の一面上の複数の触覚センサ２００を取り囲むように、基板１０１の一面上にエラストマからなる枠部材１１１を接着剤により接着する。複数の触覚センサ２００を被覆するように、基板１０１上の枠部材１１１の内側の空間に流動性のエラストマを充填し、硬化させる。それにより、枠部材１１１の内側に複数の触覚センサ２００を被覆するエラストマからなる被覆層１１２が形成される。枠部材１１１と被覆層１１２とは被覆体１１０として一体化される。
【解決手段】基板１０１の一面上の複数の触覚センサ２００を取り囲むように、基板１０１の一面上にエラストマからなる枠部材１１１を接着剤により接着する。複数の触覚センサ２００を被覆するように、基板１０１上の枠部材１１１の内側の空間に流動性のエラストマを充填し、硬化させる。それにより、枠部材１１１の内側に複数の触覚センサ２００を被覆するエラストマからなる被覆層１１２が形成される。枠部材１１１と被覆層１１２とは被覆体１１０として一体化される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量を検出するセンサ装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ロボットの手足等には触覚センサが用いられている。例えば、特許文献１に記載されている触覚センサは、シリコン基板上にナノ薄膜生成技術により形成される微小な４本のカンチレバー（片持ち梁）を有する。４本のカンチレバーは互いに９０度異なる向きに配置されている。また、シリコン基板上には、４本のカンチレバーを被覆するエラストマ層が形成されている。
【０００３】
エラストマ層に圧力または剪断力が加えられると、エラストマ層の内部応力が変化することにより４本のカンチレバーのいずれかまたは全てが変形する。４本のカンチレバーの変形量を検出することにより、圧力または剪断力の大きさおよび方向を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−００８８５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の触覚センサでは、エラストマ層に圧力または剪断力が繰り返し加えられると、エラストマ層の４隅がシリコン基板から剥がれやすくなる。それにより、触覚センサの信頼性が低下する。
【０００６】
本発明の目的は、被覆体の縁部が基板の一面から剥がれることを防止することができるセンサ装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１） 本発明に係るセンサ装置の製造方法は、基板の一面に物理量を検出するための検出部を形成する工程と、検出部を取り囲むように高分子材料からなる枠部材を基板の一面に接着剤により接着する工程と、検出部を被覆するように基板上の枠部材の内側の空間に流動性の高分子材料を充填する工程と、流動性の高分子材料を硬化させることにより枠部材の内側に検出部を被覆する被覆層を形成するとともに枠部材と被覆層とを被覆体として一体化させる工程とを備えるものである。
【０００８】
本発明に係るセンサ装置の製造方法においては、基板の一面に形成された検出部を取り囲むように高分子材料からなる枠部材が接着剤により接着され、基板上の枠部材の内側の空間に流動性の高分子材料が充填される。さらに、流動性の高分子材料を硬化させることにより枠部材の内側に検出部を被覆する被覆層が形成されるとともに枠部材と被覆層とが被覆体として一体化される。
【０００９】
この場合、一体化された被覆体の枠部材が基板の一面に接着剤により接着されるので、被覆体の縁部が基板の一面から剥がれることが防止される。したがって、センサ装置の信頼性が向上する。
【００１０】
（２） 検出部は可動部を有するセンサ素子を含み、流動性の高分子材料からなる枠部材として弾性高分子材料からなる枠部材を用い、センサ素子を被覆するように枠部材の内側の空間に流動性の高分子材料として流動性の弾性高分子材料を充填してもよい。
【００１１】
この場合、弾性高分子材料からなる枠部材と弾性高分子材料からなる被覆層とが一体化し、基板の一面にセンサ素子を被覆する被覆体が形成される。弾性高分子材料からなる被覆体に圧力または剪断力が加えられると、被覆体の内部応力が変化することにより、センサ素子の可動部が変形する。したがって、可動部の変形量を検出することにより物理量として圧力および剪断力を検出することができる。このような構成によれば、被覆体に圧力または剪断力が繰り返し加えられても、被覆体の縁部が基板の一面から剥がれることが防止される。したがって、圧力および剪断力を検出するセンサ装置の信頼性が向上する。
【００１２】
（３） 検出部を形成する工程は、基板の一面に異なる向きに３つ以上の複数のセンサ素子を形成する工程を含み、複数のセンサ素子の各々は、基板の一面から斜め上方に湾曲する可動部を有するカンチレバーと、カンチレバーの変形により変化する抵抗値を有する抵抗部とを含んでもよい。
【００１３】
この場合、弾性高分子材料からなる被覆体に圧力または剪断力が加えられると、被覆体の内部応力が変化することによりカンチレバーが変形する。それにより、抵抗部の抵抗値が変化する。したがって、３つ以上のセンサ素子の抵抗部の抵抗値の変化を検出することにより、被覆体に加えられる圧力および剪断力の大きさおよび方向を検出することができる。
【００１４】
（４） 複数のセンサ素子を形成する工程は、基板上に第１および第２の膜を順に形成する工程と、第２の膜上の可動部に相当する領域に第２の膜と異なる熱膨張係数を有する制御層を形成する工程と、第２の膜膜および制御層によりカンチレバーを形成する工程とを含み、カンチレバーを形成する工程は、可動部下の第１の膜の部分を除去することにより制御層の内部応力に起因して可動部を基板の一面から斜め上方に湾曲させる工程を含んでもよい。
【００１５】
この場合、制御層が第２の膜と異なる熱膨張係数を有することにより、制御層に内部応力が発生する。そのため、可動部下の第１の膜の部分を除去することにより制御層の内部応力に起因して制御層が可動部とともに自律的に基板の一面から斜め上方に湾曲する。それにより、基板の一面から斜め上方に湾曲するカンチレバーを容易にかつ小型に形成することができるとともに、センサ素子の構造を簡素化することができる。したがって、圧力および剪断力を検出するセンサ装置の小型化、低コスト化および高信頼性化が可能となる。
【００１６】
（５） 第２の膜を半導体材料により形成し、可動部の一部領域に不純物を添加することにより抵抗部を形成してもよい。
【００１７】
この場合、カンチレバーの可動部に抵抗部を容易に形成することができるとともに、カンチレバーの構造を簡素化することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、一体化された被覆体の枠部材が基板の一面に接着剤により接着されるので、被覆体の縁部が基板の一面から剥がれることが防止される。したがって、センサ装置の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】触覚センサ装置の斜視図である。
【図２】触覚センサ装置の平面図である。
【図３】触覚センサ装置の縦断面である。
【図４】触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。
【図５】触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。
【図６】触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。
【図７】触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。
【図８】触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。
【図９】触覚センサ装置の製造方法を説明するための図である。
【図１０】触覚センサ装置の１つの触覚センサの斜視図である。
【図１１】触覚センサの平面図である。
【図１２】触覚センサ装置の縦断面図である。
【図１３】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１４】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１５】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１６】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１７】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１８】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１９】カンチレバーに接続される出力回路の部分を示す回路図である。
【図２０】触覚センサ装置における１つの触覚センサの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態に係る触覚センサ装置およびその製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（１）触覚センサ装置の構成
図１は本発明の一実施の形態に係る触覚センサ装置の斜視図、図２は図１の触覚センサ装置の平面図、図３は図１の触覚センサ装置の縦断面図である。
【００２２】
図１〜図３に示すように、例えば結晶シリコンからなる共通の基板１０１の一面上の一部の領域に複数の触覚センサ２００（図２および図３参照）が形成され、例えばエラストマからなる共通の被覆体１１０により被覆されている。被覆体１１０は、枠部材１１１および被覆層１１２により構成される。枠部材１１１および被覆層１１２は一体化している。
【００２３】
本実施の形態では、基板１０１上に６個の触覚センサ２００が形成されている。各触覚センサ２００の詳細な構成については後述する。基板１０１の一面上の残りの領域１１５には、後述する出力回路の一部または全てが形成されている。
【００２４】
例えば、触覚センサ装置１００の被覆体１１０の表面を指で押すと、複数の触覚センサ２００に圧力および剪断力が加わる。複数の触覚センサ２００の各々により圧力および剪断力が検出される。詳細については後述する。
【００２５】
（２）触覚センサ装置１００の製造方法
図４〜図８は触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。図４、図５、図６、図７（ａ）および図８（ａ）は斜視図であり、図７（ｂ）および図８（ｂ）は平面図であり、図７（ｃ）および図８（ｃ）は縦断面図である。
【００２６】
まず、図４に示すように、例えば金属製の型枠５００を用意する。型枠５００は、矩形の溝部５０１を有する。
【００２７】
次に、図５に示すように、型枠５００の溝部５０１に流動性のエラストマ１１１Ａを充填する。エラストマ１１１Ａとしては、熱硬化性エラストマ、熱可塑性エラストマ、または常温硬化性エラストマ等を用いることができる。熱硬化性エラストマには、熱硬化性樹脂系エラストマ、加硫ゴム等がある。本実施の形態では、常温硬化性シリコンゴムが用いられる。常温硬化性シリコンゴムとして、例えば、東レ・ダウコーニング株式会社製のシルポット（登録商標）１８４Ｗ／Ｃを用いることができる。
【００２８】
型枠５００の溝部５０１内の流動性のエラストマ１１１Ａを硬化させることにより、図６に示すように、エラストマからなる枠部材１１１が形成される。本実施の形態では、エラストマ１１１Ａとして常温硬化性シリコンゴムを用いることにより、流動性のエラストマ１１１Ａを常温での自然乾燥により硬化させることができる。枠部材１１１は全体として矩形形状を有する。この枠部材１１１は矩形断面を有する。
【００２９】
次に、図７に示すように、後述する方法で一面の一部領域に複数の触覚センサ２００が予め形成された基板１０１を用意する。基板１０１の一面上の他の領域１１５には、後述する出力回路の一部または全てが予め形成されている。基板１０１の一面上の複数の触覚センサ２００を取り囲むように、基板１０１の一面上に枠部材１１１を接着剤１１３により接着する。接着剤１１３としては、熱可塑性樹脂系接着剤、熱硬化性樹脂系接着剤、紫外線硬化性樹脂系接着剤等を用いることができる。
【００３０】
その後、図８に示すように、複数の触覚センサ２００を被覆するように、基板１０１上の枠部材１１１の内側の空間に流動性のエラストマを充填し、硬化させる。それにより、枠部材１１１の内側に複数の触覚センサ２００を被覆するエラストマからなる被覆層１１２が形成される。被覆層１１２のエラストマの種類は、枠部材１１１のエラストマと同じであってもよく、あるいは異なっていてもよい。本実施の形態では、枠部材１１１のエラストマとして、常温硬化性シリコンゴムが用いられる。常温硬化性シリコンゴムとして、例えば、東レ・ダウコーニング株式会社製のシルポット（登録商標）１８４Ｗ／Ｃを用いることができる。
【００３１】
本実施の形態では、被覆層１１２のエラストマとして常温硬化性シリコンゴムを用いることにより、流動性のエラストマを常温での自然乾燥により硬化させることができる。枠部材１１１と被覆層１１２とは被覆体１１０として一体化される。
【００３２】
被覆層１１２の厚みが枠部材１１１の厚みと同じであるか、または被覆層１１２の厚みが枠部材１１１の厚みよりも大きいことが好ましい。
【００３３】
ここで、本実施の形態に係る触覚センサ装置１００の製造方法の効果を説明するために比較例に係る触覚センサ装置の製造方法を説明する。
【００３４】
図９は比較例に係る触覚センサ装置の製造方法を説明するための図である。図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）は平面図、図９（ｃ）は縦断面図である。
【００３５】
比較例に係る製造方法では、開口部を有する型枠（図示せず）を用いる。この型枠の開口部は、基板１０１上の複数の触覚センサ２００を含む矩形領域に対応する矩形形状を有する。開口部が複数の触覚センサ２００を含む領域に位置するように基板１０１上に型枠を設置し、開口部内に流動性のエラストマを充填する。エラストマを硬化させた後、型枠を取り除くことにより、図９に示される被覆層１２０が形成される。
【００３６】
比較例に係る製造方法により製造された触覚センサ装置では、被覆層１２０に圧力および剪断力が繰り返し加えられると、被覆層１２０の縁部が基板１０１から剥がれやすくなる。
【００３７】
これに対して、本実施の形態に係る製造方法により製造された触覚センサ装置１００では、一体化した被覆体１１０に圧力および剪断力が繰り返し加えられた場合でも、被覆体１１０の縁部が基板１０１から剥がれることが防止される。
【００３８】
（３）触覚センサ２００の構成
次に、図１〜図３の触覚センサ装置１００に含まれる触覚センサ２００の構成について説明する。
【００３９】
図１０は図１〜図３の触覚センサ装置の１つの触覚センサの斜視図、図１１は図１０の触覚センサの平面図、図１２は図１０の触覚センサの縦断面図である。
【００４０】
以下、基板１０１の表面に平行で互いに直交する２つの方向にＸ軸およびＹ軸を定義し、基板１０１の表面に垂直な方向にＺ軸を定義する。
【００４１】
図１０〜図１２に示される触覚センサ２００は、３つ以上の複数のセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４により構成される。本実施の形態では、触覚センサ２００は、４つのセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４により構成される。
【００４２】
センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４は、それぞれカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を含む。センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４は、共通の基板１０１上に形成される。触覚センサ２００の大きさは、例えば１ｍｍ程度と小さい。
【００４３】
センサ素子２０１のカンチレバーＣＬ１とセンサ素子２０３のカンチレバーＣＬ３とが互いに対向し、センサ素子２０２のカンチレバーＣＬ２とセンサ素子２０４のカンチレバーＣＬ４とが互いに対向する。また、センサ素子２０１，２０３とセンサ素子２０２，２０４とは互いに直交する向きに配置されている。
【００４４】
本実施の形態においては、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３がＸ軸方向に沿うようにセンサ素子２０１，２０３が配置され、カンチレバーＣＬ３，ＣＬ４がＹ軸方向に沿うようにセンサ素子２０２，２０４が配置されている。
【００４５】
（４）触覚センサ２００の製造方法の一例
図１３〜図１８は触覚センサ２００の製造方法の一例を示す工程図であり、（ａ）は模式的断面図、（ｂ）は模式的平面図である。図１３〜図１８には、触覚センサ２００に含まれる１つのセンサ素子２０１の部分のみが示されるが、他のセンサ素子２０２，２０３，２０４も同時に同様の方法で形成される。
【００４６】
まず、図１３に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator：絶縁体上シリコン）基板１０００を用意する。ＳＯＩ基板１０００は、例えば、結晶シリコンからなる基板１０１、埋め込み酸化膜１０２および結晶シリコン膜１０３を有する。結晶シリコン膜１０３の厚さは、例えば２００ｎｍである。埋め込み酸化膜１０２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。
【００４７】
次に、図１４に示すように、熱拡散またはイオン注入により結晶シリコン膜１０３の略Ｕ字状領域にホウ素（Ｂ）を添加する。これにより、結晶シリコン膜１０３に、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａが形成される。略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａは、互いに平行に延びる一対の脚部とこれらの脚部を連結する連結部とからなる。ｐ型ドープ層１０３ａの厚さは、例えば１００ｎｍである。また、ｐ型ドープ層１０３ａにおけるホウ素の濃度は、例えば０．２原子％（１０２０／ｃｍ３）である。
【００４８】
次に、図１５に示すように、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部を覆うように結晶シリコン膜１０３上に、フォトリソグラフィおよび低圧ＣＶＤ（化学的気相堆積法）により、一対の開口部１０５を有するＳｉＮ（窒化シリコン）からなる絶縁層１０４を形成する。絶縁層１０４の一対の開口部１０５はｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部に重なるように設けられる。それにより、一対の開口部１０５内でｐ型ドープ層１０３ａの一部が露出する。
【００４９】
さらに、図１６に示すように、フォトリソグラフィおよび真空蒸着法により、一対の開口部１０５を含む絶縁層１０４の領域上にＣｒ（クロム）／Ａｕ（金）からなる一対の矩形の電極１０６を形成するとともに、結晶シリコン膜１０３上に、ｐ型ドープ層１０３ａに並ぶようにＣｒからなる略矩形状のたわみ制御層１０７を形成する。
【００５０】
Ｃｒの蒸着の際に、温度上昇によりたわみ制御層１０７および結晶シリコン膜１０３が熱膨張する。その後、たわみ制御層１０７および結晶シリコン膜１０３が収縮する。この場合、Ｃｒと結晶シリコンとの熱膨張係数の違いにより冷却後には、たわみ制御層１０７内に残留応力が発生する。
【００５１】
次に、図１７に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、絶縁層１０４下の領域を除いて、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａおよび略矩形状のたわみ制御層１０７の周囲における結晶シリコン膜１０３の領域を除去する。たわみ制御層１０７、ｐ型ドープ層１０３ａの連結部、およびそれらの下の結晶シリコン膜１０３の部分が後述するカンチレバーＣＬ１となる。なお、エッチングとしては、例えばウェットエッチング法を用いることができる。エッチング液としては、例えば２，６−ヒドロキシナフトエ酸（ＨＮＡ）を用いることができる。
【００５２】
次に、図１８に示すように、エッチングによりカンチレバーＣＬ１の下の埋め込み酸化膜１０２の領域を除去する。エッチング液としては、例えば、フッ化水素（ＨＦ）を用いることができる。
【００５３】
ここで、上述したように、たわみ制御層１０７内に残留応力が発生している。そのため、埋め込み酸化膜１０２の上記の領域を除去した場合、たわみ制御層１０７内の残留応力に起因して、図１８に示すように、たわみ制御層１０７がその下の結晶シリコン膜１０３の部分とともに上方に向かって湾曲する。これにより、ＸＹ平面において略矩形状でかつ基板１０１の一面から斜め上方に湾曲するようにカンチレバーＣＬ１が形成される。カンチレバーＣＬ１は支持部Ｓおよび可動部Ｒからなる。支持部Ｓが埋め込み酸化膜１０２上に支持され、可動部Ｒ下の埋め込み酸化膜１０２が除去されている。
【００５４】
このようにして、カンチレバーＣＬ１を有するセンサ素子２０１が作製される。センサ素子２０１においては、略Ｕ字形状を有するｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部に電極１０６がそれぞれ形成されている。これにより、ｐ型ドープ層１０３ａをピエゾ抵抗素子として機能させることができる。
【００５５】
次に、図１８の状態で、水洗浄、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）置換、およびｔ−ブチルアルコール置換を行う。その後、フリーズドライ（真空凍結乾燥）を行う。
【００５６】
なお、触覚センサ２００の形成前または形成と並行して基板１０１上に後述する出力回路の一部または全てを形する。
【００５７】
その後、図７および図８に示したように、複数の触覚センサ２００を被覆するように枠部材１１１および被覆層１１２からなる被覆体１１０を形成する。
【００５８】
このようにして作製されたセンサ素子２０１においては、略Ｕ字形状を有するｐ型のドープ層１０３ｂの一端に電極１０４ａが形成され、他端に電極１０４ｂが形成されている。これにより、ｐ型ドープ層１０３ａを、ピエゾ抵抗素子として機能させることができる。
【００５９】
被覆体１１０の表面に圧力または剪断力が加えられると、被覆体１１０の内部応力が変化し、カンチレバーＣＬ１が変形する。それにより、ｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗が変化する。
【００６０】
上記の製造方法によれば、たわみ制御層１０７内に残留応力が存在するので、可動部Ｒ下の埋め込み酸化膜１０２の部分を除去することにより残留応力に起因してたわみ制御層１０７が可動部Ｒとともに自律的に基板１０１の一面から斜め上方に湾曲する。それにより、基板１０１の一面から斜め上方に湾曲するカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を容易にかつ小型に形成することができるとともにセンサ素子２０１〜２０４の構造を簡素化することができる。したがって、触覚センサ装置１００の小型化および低コスト化が可能となる。
【００６１】
（５）触覚センサ装置２００の出力回路
図１９はカンチレバーＣＬ１に接続される出力回路の部分を示す回路図である。図１９に示すように、カンチレバーＣＬ１の一対の電極１０６には、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が接続され、カンチレバーＣＬ１、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３および直流電源Ｅによりブリッジ回路２１１が構成されている。ブリッジ回路２１１の出力電圧は増幅器２２１に与えられ、増幅器２２１の出力電圧がＡ／Ｄ変換器２３１に入力される。
【００６２】
他のカンチレバーＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４にも、図１９の出力回路と同様の出力回路が接続される。
【００６３】
ブリッジ回路２１１、増幅器２２１およびＡ／Ｄ変換器２３１のうち一部または全てが図１〜図３の基板１０１の領域１１５に形成される。本実施の形態では、ブリッジ回路２１１のみが基板１０１の領域１１５に形成され、増幅器２２１およびＡ／Ｄ変換器２３１が外部装置に設けられる。また、ブリッジ回路２１１、増幅器２２１およびＡ／Ｄ変換器２３１が基板１０１の領域１０５に形成されてもよい。
【００６４】
本実施の形態では、６個の触覚センサ２００に対応する６組のブリッジ回路２１１が基板１０１の領域１１５に形成される。
【００６５】
ここで、カンチレバーＣＬ１のヒンジ部の変形によりｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗が変化する。このピエゾ抵抗の変化量がブリッジ回路２１１および増幅器２２１により電圧の変化として検出される。さらに、増幅器２２１の出力電圧がＡ／Ｄ変換器２３１によりデジタル信号の出力値Ｓ１に変換される。出力値Ｓ１に基づいて圧力および剪断力の大きさを検出することができる。
【００６６】
図１２に示したように、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は、一端側が斜め上方に向かって湾曲している。カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は、一端側が対向するように配置されている。このため、図１２の被覆体１１０に矢印Ａの方向に剪断力が印加された場合、カンチレバーＣＬ１は曲率半径が大きくなるように変形し、カンチレバーＣＬ３は曲率半径が小さくなるように変形する。一方、被覆体１１０に矢印Ｂの方向に剪断力が印加された場合、カンチレバーＣＬ１は曲率半径が小さくなるように変形し、カンチレバーＣＬ３は曲率半径が大きくなるように変形する。さらに、被覆体１１０に矢印Ｃの方向に圧力が印加された場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は曲率半径が大きくなるように変形する。
【００６７】
そのため、矢印Ａの方向に剪断力が印加された場合と矢印Ｂの方向に剪断力が印加された場合とでは、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３のｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化の方向（増加する方向または減少する方向）が逆になる。また、矢印Ｃの方向に圧力が印加された場合は、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４のｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化の方向が同じになる。
【００６８】
他のカンチレバーＣＬ２，ＣＬ４の動作は、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の動作と同様である。
【００６９】
図１０〜図１２の触覚センサ２００においては、センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４にそれぞれ対応する出力値が得られる。Ｘ軸方向の剪断力と出力値との関係、Ｙ軸方向の剪断力と出力値との関係およびＺ軸方向の圧力と出力値との関係を予め測定により求める。それにより、圧力および剪断力の大きさおよび方向を検出することができる。
【００７０】
（６）実施の形態の効果
本実施の形態に係る触覚センサ装置１００の製造方法によれば、一体化された被覆体１１０の枠部材１１１が基板１０１の一面に接着剤１１３により接着されるので、被覆体１１０に圧力および剪断力が繰り返し加えられた場合でも、被覆体１１０の縁部が基板１０１の一面から剥がれることが防止される。したがって、触覚センサ装置１００の信頼性が向上する。
【００７１】
（７）他の実施の形態
（ａ）上記実施の形態では、枠部材１１１が全体として矩形形状を有するが、これに限らず、枠部材１１１が触覚センサ２００を取り囲むことが可能であれば、枠部材１１１が他の形状を有してもよい。例えば、枠部材１１１の全体の形状が円形または楕円形であってもよく、あるいは三角形、五角形、六角形等の他の多角形であってもよい。また、枠部材１１１の全体の形状が曲線で形成された他の形状であってもよい。
【００７２】
（ｂ）上記実施の形態では、枠部材１１１が矩形の断面形状を有するが、これに限らず、枠部材１１１の下面が基板１０１の一面に接触する形状を有していれば、枠部材１１１の断面が他の形状を有してもよい。基板１０１の一面が平面である場合には、枠部材１１１の下面が平面であれば、枠部材１１１の側面および上面は任意の形状を有してもよい。例えば、枠部材１１１の断面形状が三角形または台形等であってもよい。基板１０１の一面が曲面であれば、その基板１０１の曲面に一致する下面を有する枠部材１１１を用いる。
【００７３】
（ｃ）上記実施の形態では、基板１０１の材料として結晶シリコン基板が用いられるが、これに限らず、基板１０１の材料として他の材料を用いてもよい。例えば、基板１０１の材料として炭化シリコン等の他の半導体材料、ガラス、セラミックス、樹脂等の絶縁材料、アルミニウム等の金属材料を用いてもよい。
【００７４】
（ｄ）上記実施の形態では、枠部材１１１および被覆層１１２の材料としてエラストマが用いられるが、これに限らず、弾性を有する樹脂等の他の高分子材料を用いてもよい。また、検出部を被覆する被覆体に弾性が必要でない場合には、弾性を有しない樹脂等の他の高分子材料を用いてもよい。
【００７５】
（ｅ）上記実施の形態では、基板１０１上に複数の触覚センサ２００を有する触覚センサ装置１００について説明したが、触覚センサ装置１００が基板１０１上に１つの触覚センサ２００を有してもよい。
【００７６】
（ｆ）上記実施の形態では、触覚センサ装置１００について説明したが、本発明は被覆体を必要とする他のセンサ装置にも適用することができる。例えば、検出部がカンチレバーを用いない１または複数の荷重センサであってもよい。
【００７７】
（ｇ）上記実施の形態では、基板１０１上に複数の触覚センサ２００とともに出力回路の一部または全てが形成されているが、基板１０１上に触覚センサ２００のみが形成されてもよい。
【００７８】
（ｈ）上記実施の形態では、触覚センサ２００が４つのセンサ素子２０１〜２０４により構成されるが、触覚センサ２００が３つ以上の他の数のセンサ素子により構成されてもよい。
【００７９】
図２０は本発明の他の実施の形態に係る触覚センサ装置における１つの触覚センサの平面図である。
【００８０】
図２０の触覚センサ２００が図１０〜図１２の触覚センサ２００と異なるのは、触覚センサ２００が３つのセンサ素子２０１，２０２，２０３により構成される点である。３つのセンサ素子２０１，２０２，２０３は、互いに１２０度異なる向きに配置されている。
【００８１】
図２０の触覚センサ２００においては、センサ素子２０１，２０２，２０３にそれぞれ対応する出力値が得られる。Ｘ軸方向の剪断力と出力値との関係、Ｙ軸方向の剪断力と出力値との関係およびＺ軸方向の圧力と出力値との関係を予め測定により求める。それにより、圧力および剪断力の大きさおよび方向を検出することができる。
【００８２】
（ｉ）上記実施の形態では、ピエゾ抵抗素子として働くｐ型ドープ層１０３ａがＵ字形状に形成されているが、ｐ型ドープ層１０３ａの形状はＵ字形状に限らず、Ｖ字形状、Ｗ字形状、または他の任意の形状であってもよい。
【００８３】
（８）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【００８４】
上記実施の形態では、基板１０１が基板の一例であり、触覚センサ２００が検出部の例であり、枠部材１１１が枠部材の例であり、被覆層１１２が被覆層の例であり、被覆体１１０が被覆体の例であり、エラストマが高分子材料の例である。
【００８５】
また、センサ素子２０１〜２０４がセンサ素子の例であり、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４がカンチレバーの例であり、ｐ型ドープ層１０３ａが抵抗部の例であり、埋め込み酸化膜１０２が第１の膜の例であり、結晶シリコン膜１０３が第２の膜の例であり、たわみ制御層１０７が制御層の例であり、ｐ型ドープ層１０３ａが抵抗部の例であり、可動部Ｒが可動部の例であり、ホウ素が不純物の例であるあり、結晶シリコンが半導体材料の例である。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、種々の物理量を検出するセンサ装置を製造するために利用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１００ 触覚センサ装置
１０１ 基板
１０２ 埋め込み酸化膜
１０３ 結晶シリコン膜
１０３ａ ｐ型ドープ層
１０４ 絶縁層
１０５ 開口部
１０６ 電極
１０７ たわみ制御層
１１０ 被覆体
１１１ 枠部材
１１１Ａ エラストマ
１１２ 被覆層
１１３ 接着剤
１１５ 領域
２００ 触覚センサ
２０１，２０２，２０３，２０４ センサ素子
２１０ ブリッジ回路部
２１１ ブリッジ回路
２２１ 増幅器
２３１ Ａ／Ｄ変換器
５００ 金属製の型枠
５０１ 溝部
１０００ ＳＯＩ基板
ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４ カンチレバー
Ｅ 直流電源
Ｒ 可動部
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 外部抵抗
Ｓ 支持部
Ｓ１ 出力値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量を検出するセンサ装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ロボットの手足等には触覚センサが用いられている。例えば、特許文献１に記載されている触覚センサは、シリコン基板上にナノ薄膜生成技術により形成される微小な４本のカンチレバー（片持ち梁）を有する。４本のカンチレバーは互いに９０度異なる向きに配置されている。また、シリコン基板上には、４本のカンチレバーを被覆するエラストマ層が形成されている。
【０００３】
エラストマ層に圧力または剪断力が加えられると、エラストマ層の内部応力が変化することにより４本のカンチレバーのいずれかまたは全てが変形する。４本のカンチレバーの変形量を検出することにより、圧力または剪断力の大きさおよび方向を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−００８８５４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の触覚センサでは、エラストマ層に圧力または剪断力が繰り返し加えられると、エラストマ層の４隅がシリコン基板から剥がれやすくなる。それにより、触覚センサの信頼性が低下する。
【０００６】
本発明の目的は、被覆体の縁部が基板の一面から剥がれることを防止することができるセンサ装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１） 本発明に係るセンサ装置の製造方法は、基板の一面に物理量を検出するための検出部を形成する工程と、検出部を取り囲むように高分子材料からなる枠部材を基板の一面に接着剤により接着する工程と、検出部を被覆するように基板上の枠部材の内側の空間に流動性の高分子材料を充填する工程と、流動性の高分子材料を硬化させることにより枠部材の内側に検出部を被覆する被覆層を形成するとともに枠部材と被覆層とを被覆体として一体化させる工程とを備えるものである。
【０００８】
本発明に係るセンサ装置の製造方法においては、基板の一面に形成された検出部を取り囲むように高分子材料からなる枠部材が接着剤により接着され、基板上の枠部材の内側の空間に流動性の高分子材料が充填される。さらに、流動性の高分子材料を硬化させることにより枠部材の内側に検出部を被覆する被覆層が形成されるとともに枠部材と被覆層とが被覆体として一体化される。
【０００９】
この場合、一体化された被覆体の枠部材が基板の一面に接着剤により接着されるので、被覆体の縁部が基板の一面から剥がれることが防止される。したがって、センサ装置の信頼性が向上する。
【００１０】
（２） 検出部は可動部を有するセンサ素子を含み、流動性の高分子材料からなる枠部材として弾性高分子材料からなる枠部材を用い、センサ素子を被覆するように枠部材の内側の空間に流動性の高分子材料として流動性の弾性高分子材料を充填してもよい。
【００１１】
この場合、弾性高分子材料からなる枠部材と弾性高分子材料からなる被覆層とが一体化し、基板の一面にセンサ素子を被覆する被覆体が形成される。弾性高分子材料からなる被覆体に圧力または剪断力が加えられると、被覆体の内部応力が変化することにより、センサ素子の可動部が変形する。したがって、可動部の変形量を検出することにより物理量として圧力および剪断力を検出することができる。このような構成によれば、被覆体に圧力または剪断力が繰り返し加えられても、被覆体の縁部が基板の一面から剥がれることが防止される。したがって、圧力および剪断力を検出するセンサ装置の信頼性が向上する。
【００１２】
（３） 検出部を形成する工程は、基板の一面に異なる向きに３つ以上の複数のセンサ素子を形成する工程を含み、複数のセンサ素子の各々は、基板の一面から斜め上方に湾曲する可動部を有するカンチレバーと、カンチレバーの変形により変化する抵抗値を有する抵抗部とを含んでもよい。
【００１３】
この場合、弾性高分子材料からなる被覆体に圧力または剪断力が加えられると、被覆体の内部応力が変化することによりカンチレバーが変形する。それにより、抵抗部の抵抗値が変化する。したがって、３つ以上のセンサ素子の抵抗部の抵抗値の変化を検出することにより、被覆体に加えられる圧力および剪断力の大きさおよび方向を検出することができる。
【００１４】
（４） 複数のセンサ素子を形成する工程は、基板上に第１および第２の膜を順に形成する工程と、第２の膜上の可動部に相当する領域に第２の膜と異なる熱膨張係数を有する制御層を形成する工程と、第２の膜膜および制御層によりカンチレバーを形成する工程とを含み、カンチレバーを形成する工程は、可動部下の第１の膜の部分を除去することにより制御層の内部応力に起因して可動部を基板の一面から斜め上方に湾曲させる工程を含んでもよい。
【００１５】
この場合、制御層が第２の膜と異なる熱膨張係数を有することにより、制御層に内部応力が発生する。そのため、可動部下の第１の膜の部分を除去することにより制御層の内部応力に起因して制御層が可動部とともに自律的に基板の一面から斜め上方に湾曲する。それにより、基板の一面から斜め上方に湾曲するカンチレバーを容易にかつ小型に形成することができるとともに、センサ素子の構造を簡素化することができる。したがって、圧力および剪断力を検出するセンサ装置の小型化、低コスト化および高信頼性化が可能となる。
【００１６】
（５） 第２の膜を半導体材料により形成し、可動部の一部領域に不純物を添加することにより抵抗部を形成してもよい。
【００１７】
この場合、カンチレバーの可動部に抵抗部を容易に形成することができるとともに、カンチレバーの構造を簡素化することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、一体化された被覆体の枠部材が基板の一面に接着剤により接着されるので、被覆体の縁部が基板の一面から剥がれることが防止される。したがって、センサ装置の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】触覚センサ装置の斜視図である。
【図２】触覚センサ装置の平面図である。
【図３】触覚センサ装置の縦断面である。
【図４】触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。
【図５】触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。
【図６】触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。
【図７】触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。
【図８】触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。
【図９】触覚センサ装置の製造方法を説明するための図である。
【図１０】触覚センサ装置の１つの触覚センサの斜視図である。
【図１１】触覚センサの平面図である。
【図１２】触覚センサ装置の縦断面図である。
【図１３】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１４】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１５】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１６】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１７】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１８】触覚センサの製造方法の一例を示す工程図である。
【図１９】カンチレバーに接続される出力回路の部分を示す回路図である。
【図２０】触覚センサ装置における１つの触覚センサの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態に係る触覚センサ装置およびその製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（１）触覚センサ装置の構成
図１は本発明の一実施の形態に係る触覚センサ装置の斜視図、図２は図１の触覚センサ装置の平面図、図３は図１の触覚センサ装置の縦断面図である。
【００２２】
図１〜図３に示すように、例えば結晶シリコンからなる共通の基板１０１の一面上の一部の領域に複数の触覚センサ２００（図２および図３参照）が形成され、例えばエラストマからなる共通の被覆体１１０により被覆されている。被覆体１１０は、枠部材１１１および被覆層１１２により構成される。枠部材１１１および被覆層１１２は一体化している。
【００２３】
本実施の形態では、基板１０１上に６個の触覚センサ２００が形成されている。各触覚センサ２００の詳細な構成については後述する。基板１０１の一面上の残りの領域１１５には、後述する出力回路の一部または全てが形成されている。
【００２４】
例えば、触覚センサ装置１００の被覆体１１０の表面を指で押すと、複数の触覚センサ２００に圧力および剪断力が加わる。複数の触覚センサ２００の各々により圧力および剪断力が検出される。詳細については後述する。
【００２５】
（２）触覚センサ装置１００の製造方法
図４〜図８は触覚センサ装置の製造方法を示す工程図である。図４、図５、図６、図７（ａ）および図８（ａ）は斜視図であり、図７（ｂ）および図８（ｂ）は平面図であり、図７（ｃ）および図８（ｃ）は縦断面図である。
【００２６】
まず、図４に示すように、例えば金属製の型枠５００を用意する。型枠５００は、矩形の溝部５０１を有する。
【００２７】
次に、図５に示すように、型枠５００の溝部５０１に流動性のエラストマ１１１Ａを充填する。エラストマ１１１Ａとしては、熱硬化性エラストマ、熱可塑性エラストマ、または常温硬化性エラストマ等を用いることができる。熱硬化性エラストマには、熱硬化性樹脂系エラストマ、加硫ゴム等がある。本実施の形態では、常温硬化性シリコンゴムが用いられる。常温硬化性シリコンゴムとして、例えば、東レ・ダウコーニング株式会社製のシルポット（登録商標）１８４Ｗ／Ｃを用いることができる。
【００２８】
型枠５００の溝部５０１内の流動性のエラストマ１１１Ａを硬化させることにより、図６に示すように、エラストマからなる枠部材１１１が形成される。本実施の形態では、エラストマ１１１Ａとして常温硬化性シリコンゴムを用いることにより、流動性のエラストマ１１１Ａを常温での自然乾燥により硬化させることができる。枠部材１１１は全体として矩形形状を有する。この枠部材１１１は矩形断面を有する。
【００２９】
次に、図７に示すように、後述する方法で一面の一部領域に複数の触覚センサ２００が予め形成された基板１０１を用意する。基板１０１の一面上の他の領域１１５には、後述する出力回路の一部または全てが予め形成されている。基板１０１の一面上の複数の触覚センサ２００を取り囲むように、基板１０１の一面上に枠部材１１１を接着剤１１３により接着する。接着剤１１３としては、熱可塑性樹脂系接着剤、熱硬化性樹脂系接着剤、紫外線硬化性樹脂系接着剤等を用いることができる。
【００３０】
その後、図８に示すように、複数の触覚センサ２００を被覆するように、基板１０１上の枠部材１１１の内側の空間に流動性のエラストマを充填し、硬化させる。それにより、枠部材１１１の内側に複数の触覚センサ２００を被覆するエラストマからなる被覆層１１２が形成される。被覆層１１２のエラストマの種類は、枠部材１１１のエラストマと同じであってもよく、あるいは異なっていてもよい。本実施の形態では、枠部材１１１のエラストマとして、常温硬化性シリコンゴムが用いられる。常温硬化性シリコンゴムとして、例えば、東レ・ダウコーニング株式会社製のシルポット（登録商標）１８４Ｗ／Ｃを用いることができる。
【００３１】
本実施の形態では、被覆層１１２のエラストマとして常温硬化性シリコンゴムを用いることにより、流動性のエラストマを常温での自然乾燥により硬化させることができる。枠部材１１１と被覆層１１２とは被覆体１１０として一体化される。
【００３２】
被覆層１１２の厚みが枠部材１１１の厚みと同じであるか、または被覆層１１２の厚みが枠部材１１１の厚みよりも大きいことが好ましい。
【００３３】
ここで、本実施の形態に係る触覚センサ装置１００の製造方法の効果を説明するために比較例に係る触覚センサ装置の製造方法を説明する。
【００３４】
図９は比較例に係る触覚センサ装置の製造方法を説明するための図である。図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）は平面図、図９（ｃ）は縦断面図である。
【００３５】
比較例に係る製造方法では、開口部を有する型枠（図示せず）を用いる。この型枠の開口部は、基板１０１上の複数の触覚センサ２００を含む矩形領域に対応する矩形形状を有する。開口部が複数の触覚センサ２００を含む領域に位置するように基板１０１上に型枠を設置し、開口部内に流動性のエラストマを充填する。エラストマを硬化させた後、型枠を取り除くことにより、図９に示される被覆層１２０が形成される。
【００３６】
比較例に係る製造方法により製造された触覚センサ装置では、被覆層１２０に圧力および剪断力が繰り返し加えられると、被覆層１２０の縁部が基板１０１から剥がれやすくなる。
【００３７】
これに対して、本実施の形態に係る製造方法により製造された触覚センサ装置１００では、一体化した被覆体１１０に圧力および剪断力が繰り返し加えられた場合でも、被覆体１１０の縁部が基板１０１から剥がれることが防止される。
【００３８】
（３）触覚センサ２００の構成
次に、図１〜図３の触覚センサ装置１００に含まれる触覚センサ２００の構成について説明する。
【００３９】
図１０は図１〜図３の触覚センサ装置の１つの触覚センサの斜視図、図１１は図１０の触覚センサの平面図、図１２は図１０の触覚センサの縦断面図である。
【００４０】
以下、基板１０１の表面に平行で互いに直交する２つの方向にＸ軸およびＹ軸を定義し、基板１０１の表面に垂直な方向にＺ軸を定義する。
【００４１】
図１０〜図１２に示される触覚センサ２００は、３つ以上の複数のセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４により構成される。本実施の形態では、触覚センサ２００は、４つのセンサ素子２０１，２０２，２０３，２０４により構成される。
【００４２】
センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４は、それぞれカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を含む。センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４は、共通の基板１０１上に形成される。触覚センサ２００の大きさは、例えば１ｍｍ程度と小さい。
【００４３】
センサ素子２０１のカンチレバーＣＬ１とセンサ素子２０３のカンチレバーＣＬ３とが互いに対向し、センサ素子２０２のカンチレバーＣＬ２とセンサ素子２０４のカンチレバーＣＬ４とが互いに対向する。また、センサ素子２０１，２０３とセンサ素子２０２，２０４とは互いに直交する向きに配置されている。
【００４４】
本実施の形態においては、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３がＸ軸方向に沿うようにセンサ素子２０１，２０３が配置され、カンチレバーＣＬ３，ＣＬ４がＹ軸方向に沿うようにセンサ素子２０２，２０４が配置されている。
【００４５】
（４）触覚センサ２００の製造方法の一例
図１３〜図１８は触覚センサ２００の製造方法の一例を示す工程図であり、（ａ）は模式的断面図、（ｂ）は模式的平面図である。図１３〜図１８には、触覚センサ２００に含まれる１つのセンサ素子２０１の部分のみが示されるが、他のセンサ素子２０２，２０３，２０４も同時に同様の方法で形成される。
【００４６】
まず、図１３に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator：絶縁体上シリコン）基板１０００を用意する。ＳＯＩ基板１０００は、例えば、結晶シリコンからなる基板１０１、埋め込み酸化膜１０２および結晶シリコン膜１０３を有する。結晶シリコン膜１０３の厚さは、例えば２００ｎｍである。埋め込み酸化膜１０２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。
【００４７】
次に、図１４に示すように、熱拡散またはイオン注入により結晶シリコン膜１０３の略Ｕ字状領域にホウ素（Ｂ）を添加する。これにより、結晶シリコン膜１０３に、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａが形成される。略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａは、互いに平行に延びる一対の脚部とこれらの脚部を連結する連結部とからなる。ｐ型ドープ層１０３ａの厚さは、例えば１００ｎｍである。また、ｐ型ドープ層１０３ａにおけるホウ素の濃度は、例えば０．２原子％（１０２０／ｃｍ３）である。
【００４８】
次に、図１５に示すように、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部を覆うように結晶シリコン膜１０３上に、フォトリソグラフィおよび低圧ＣＶＤ（化学的気相堆積法）により、一対の開口部１０５を有するＳｉＮ（窒化シリコン）からなる絶縁層１０４を形成する。絶縁層１０４の一対の開口部１０５はｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部に重なるように設けられる。それにより、一対の開口部１０５内でｐ型ドープ層１０３ａの一部が露出する。
【００４９】
さらに、図１６に示すように、フォトリソグラフィおよび真空蒸着法により、一対の開口部１０５を含む絶縁層１０４の領域上にＣｒ（クロム）／Ａｕ（金）からなる一対の矩形の電極１０６を形成するとともに、結晶シリコン膜１０３上に、ｐ型ドープ層１０３ａに並ぶようにＣｒからなる略矩形状のたわみ制御層１０７を形成する。
【００５０】
Ｃｒの蒸着の際に、温度上昇によりたわみ制御層１０７および結晶シリコン膜１０３が熱膨張する。その後、たわみ制御層１０７および結晶シリコン膜１０３が収縮する。この場合、Ｃｒと結晶シリコンとの熱膨張係数の違いにより冷却後には、たわみ制御層１０７内に残留応力が発生する。
【００５１】
次に、図１７に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、絶縁層１０４下の領域を除いて、略Ｕ字状のｐ型ドープ層１０３ａおよび略矩形状のたわみ制御層１０７の周囲における結晶シリコン膜１０３の領域を除去する。たわみ制御層１０７、ｐ型ドープ層１０３ａの連結部、およびそれらの下の結晶シリコン膜１０３の部分が後述するカンチレバーＣＬ１となる。なお、エッチングとしては、例えばウェットエッチング法を用いることができる。エッチング液としては、例えば２，６−ヒドロキシナフトエ酸（ＨＮＡ）を用いることができる。
【００５２】
次に、図１８に示すように、エッチングによりカンチレバーＣＬ１の下の埋め込み酸化膜１０２の領域を除去する。エッチング液としては、例えば、フッ化水素（ＨＦ）を用いることができる。
【００５３】
ここで、上述したように、たわみ制御層１０７内に残留応力が発生している。そのため、埋め込み酸化膜１０２の上記の領域を除去した場合、たわみ制御層１０７内の残留応力に起因して、図１８に示すように、たわみ制御層１０７がその下の結晶シリコン膜１０３の部分とともに上方に向かって湾曲する。これにより、ＸＹ平面において略矩形状でかつ基板１０１の一面から斜め上方に湾曲するようにカンチレバーＣＬ１が形成される。カンチレバーＣＬ１は支持部Ｓおよび可動部Ｒからなる。支持部Ｓが埋め込み酸化膜１０２上に支持され、可動部Ｒ下の埋め込み酸化膜１０２が除去されている。
【００５４】
このようにして、カンチレバーＣＬ１を有するセンサ素子２０１が作製される。センサ素子２０１においては、略Ｕ字形状を有するｐ型ドープ層１０３ａの一対の脚部に電極１０６がそれぞれ形成されている。これにより、ｐ型ドープ層１０３ａをピエゾ抵抗素子として機能させることができる。
【００５５】
次に、図１８の状態で、水洗浄、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）置換、およびｔ−ブチルアルコール置換を行う。その後、フリーズドライ（真空凍結乾燥）を行う。
【００５６】
なお、触覚センサ２００の形成前または形成と並行して基板１０１上に後述する出力回路の一部または全てを形する。
【００５７】
その後、図７および図８に示したように、複数の触覚センサ２００を被覆するように枠部材１１１および被覆層１１２からなる被覆体１１０を形成する。
【００５８】
このようにして作製されたセンサ素子２０１においては、略Ｕ字形状を有するｐ型のドープ層１０３ｂの一端に電極１０４ａが形成され、他端に電極１０４ｂが形成されている。これにより、ｐ型ドープ層１０３ａを、ピエゾ抵抗素子として機能させることができる。
【００５９】
被覆体１１０の表面に圧力または剪断力が加えられると、被覆体１１０の内部応力が変化し、カンチレバーＣＬ１が変形する。それにより、ｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗が変化する。
【００６０】
上記の製造方法によれば、たわみ制御層１０７内に残留応力が存在するので、可動部Ｒ下の埋め込み酸化膜１０２の部分を除去することにより残留応力に起因してたわみ制御層１０７が可動部Ｒとともに自律的に基板１０１の一面から斜め上方に湾曲する。それにより、基板１０１の一面から斜め上方に湾曲するカンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４を容易にかつ小型に形成することができるとともにセンサ素子２０１〜２０４の構造を簡素化することができる。したがって、触覚センサ装置１００の小型化および低コスト化が可能となる。
【００６１】
（５）触覚センサ装置２００の出力回路
図１９はカンチレバーＣＬ１に接続される出力回路の部分を示す回路図である。図１９に示すように、カンチレバーＣＬ１の一対の電極１０６には、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が接続され、カンチレバーＣＬ１、外部抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３および直流電源Ｅによりブリッジ回路２１１が構成されている。ブリッジ回路２１１の出力電圧は増幅器２２１に与えられ、増幅器２２１の出力電圧がＡ／Ｄ変換器２３１に入力される。
【００６２】
他のカンチレバーＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４にも、図１９の出力回路と同様の出力回路が接続される。
【００６３】
ブリッジ回路２１１、増幅器２２１およびＡ／Ｄ変換器２３１のうち一部または全てが図１〜図３の基板１０１の領域１１５に形成される。本実施の形態では、ブリッジ回路２１１のみが基板１０１の領域１１５に形成され、増幅器２２１およびＡ／Ｄ変換器２３１が外部装置に設けられる。また、ブリッジ回路２１１、増幅器２２１およびＡ／Ｄ変換器２３１が基板１０１の領域１０５に形成されてもよい。
【００６４】
本実施の形態では、６個の触覚センサ２００に対応する６組のブリッジ回路２１１が基板１０１の領域１１５に形成される。
【００６５】
ここで、カンチレバーＣＬ１のヒンジ部の変形によりｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗が変化する。このピエゾ抵抗の変化量がブリッジ回路２１１および増幅器２２１により電圧の変化として検出される。さらに、増幅器２２１の出力電圧がＡ／Ｄ変換器２３１によりデジタル信号の出力値Ｓ１に変換される。出力値Ｓ１に基づいて圧力および剪断力の大きさを検出することができる。
【００６６】
図１２に示したように、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は、一端側が斜め上方に向かって湾曲している。カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は、一端側が対向するように配置されている。このため、図１２の被覆体１１０に矢印Ａの方向に剪断力が印加された場合、カンチレバーＣＬ１は曲率半径が大きくなるように変形し、カンチレバーＣＬ３は曲率半径が小さくなるように変形する。一方、被覆体１１０に矢印Ｂの方向に剪断力が印加された場合、カンチレバーＣＬ１は曲率半径が小さくなるように変形し、カンチレバーＣＬ３は曲率半径が大きくなるように変形する。さらに、被覆体１１０に矢印Ｃの方向に圧力が印加された場合、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３は曲率半径が大きくなるように変形する。
【００６７】
そのため、矢印Ａの方向に剪断力が印加された場合と矢印Ｂの方向に剪断力が印加された場合とでは、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３のｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化の方向（増加する方向または減少する方向）が逆になる。また、矢印Ｃの方向に圧力が印加された場合は、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４のｐ型ドープ層１０３ａのピエゾ抵抗の変化の方向が同じになる。
【００６８】
他のカンチレバーＣＬ２，ＣＬ４の動作は、カンチレバーＣＬ１，ＣＬ３の動作と同様である。
【００６９】
図１０〜図１２の触覚センサ２００においては、センサ素子２０１，２０２，２０３，２０４にそれぞれ対応する出力値が得られる。Ｘ軸方向の剪断力と出力値との関係、Ｙ軸方向の剪断力と出力値との関係およびＺ軸方向の圧力と出力値との関係を予め測定により求める。それにより、圧力および剪断力の大きさおよび方向を検出することができる。
【００７０】
（６）実施の形態の効果
本実施の形態に係る触覚センサ装置１００の製造方法によれば、一体化された被覆体１１０の枠部材１１１が基板１０１の一面に接着剤１１３により接着されるので、被覆体１１０に圧力および剪断力が繰り返し加えられた場合でも、被覆体１１０の縁部が基板１０１の一面から剥がれることが防止される。したがって、触覚センサ装置１００の信頼性が向上する。
【００７１】
（７）他の実施の形態
（ａ）上記実施の形態では、枠部材１１１が全体として矩形形状を有するが、これに限らず、枠部材１１１が触覚センサ２００を取り囲むことが可能であれば、枠部材１１１が他の形状を有してもよい。例えば、枠部材１１１の全体の形状が円形または楕円形であってもよく、あるいは三角形、五角形、六角形等の他の多角形であってもよい。また、枠部材１１１の全体の形状が曲線で形成された他の形状であってもよい。
【００７２】
（ｂ）上記実施の形態では、枠部材１１１が矩形の断面形状を有するが、これに限らず、枠部材１１１の下面が基板１０１の一面に接触する形状を有していれば、枠部材１１１の断面が他の形状を有してもよい。基板１０１の一面が平面である場合には、枠部材１１１の下面が平面であれば、枠部材１１１の側面および上面は任意の形状を有してもよい。例えば、枠部材１１１の断面形状が三角形または台形等であってもよい。基板１０１の一面が曲面であれば、その基板１０１の曲面に一致する下面を有する枠部材１１１を用いる。
【００７３】
（ｃ）上記実施の形態では、基板１０１の材料として結晶シリコン基板が用いられるが、これに限らず、基板１０１の材料として他の材料を用いてもよい。例えば、基板１０１の材料として炭化シリコン等の他の半導体材料、ガラス、セラミックス、樹脂等の絶縁材料、アルミニウム等の金属材料を用いてもよい。
【００７４】
（ｄ）上記実施の形態では、枠部材１１１および被覆層１１２の材料としてエラストマが用いられるが、これに限らず、弾性を有する樹脂等の他の高分子材料を用いてもよい。また、検出部を被覆する被覆体に弾性が必要でない場合には、弾性を有しない樹脂等の他の高分子材料を用いてもよい。
【００７５】
（ｅ）上記実施の形態では、基板１０１上に複数の触覚センサ２００を有する触覚センサ装置１００について説明したが、触覚センサ装置１００が基板１０１上に１つの触覚センサ２００を有してもよい。
【００７６】
（ｆ）上記実施の形態では、触覚センサ装置１００について説明したが、本発明は被覆体を必要とする他のセンサ装置にも適用することができる。例えば、検出部がカンチレバーを用いない１または複数の荷重センサであってもよい。
【００７７】
（ｇ）上記実施の形態では、基板１０１上に複数の触覚センサ２００とともに出力回路の一部または全てが形成されているが、基板１０１上に触覚センサ２００のみが形成されてもよい。
【００７８】
（ｈ）上記実施の形態では、触覚センサ２００が４つのセンサ素子２０１〜２０４により構成されるが、触覚センサ２００が３つ以上の他の数のセンサ素子により構成されてもよい。
【００７９】
図２０は本発明の他の実施の形態に係る触覚センサ装置における１つの触覚センサの平面図である。
【００８０】
図２０の触覚センサ２００が図１０〜図１２の触覚センサ２００と異なるのは、触覚センサ２００が３つのセンサ素子２０１，２０２，２０３により構成される点である。３つのセンサ素子２０１，２０２，２０３は、互いに１２０度異なる向きに配置されている。
【００８１】
図２０の触覚センサ２００においては、センサ素子２０１，２０２，２０３にそれぞれ対応する出力値が得られる。Ｘ軸方向の剪断力と出力値との関係、Ｙ軸方向の剪断力と出力値との関係およびＺ軸方向の圧力と出力値との関係を予め測定により求める。それにより、圧力および剪断力の大きさおよび方向を検出することができる。
【００８２】
（ｉ）上記実施の形態では、ピエゾ抵抗素子として働くｐ型ドープ層１０３ａがＵ字形状に形成されているが、ｐ型ドープ層１０３ａの形状はＵ字形状に限らず、Ｖ字形状、Ｗ字形状、または他の任意の形状であってもよい。
【００８３】
（８）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【００８４】
上記実施の形態では、基板１０１が基板の一例であり、触覚センサ２００が検出部の例であり、枠部材１１１が枠部材の例であり、被覆層１１２が被覆層の例であり、被覆体１１０が被覆体の例であり、エラストマが高分子材料の例である。
【００８５】
また、センサ素子２０１〜２０４がセンサ素子の例であり、カンチレバーＣＬ１〜ＣＬ４がカンチレバーの例であり、ｐ型ドープ層１０３ａが抵抗部の例であり、埋め込み酸化膜１０２が第１の膜の例であり、結晶シリコン膜１０３が第２の膜の例であり、たわみ制御層１０７が制御層の例であり、ｐ型ドープ層１０３ａが抵抗部の例であり、可動部Ｒが可動部の例であり、ホウ素が不純物の例であるあり、結晶シリコンが半導体材料の例である。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、種々の物理量を検出するセンサ装置を製造するために利用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１００ 触覚センサ装置
１０１ 基板
１０２ 埋め込み酸化膜
１０３ 結晶シリコン膜
１０３ａ ｐ型ドープ層
１０４ 絶縁層
１０５ 開口部
１０６ 電極
１０７ たわみ制御層
１１０ 被覆体
１１１ 枠部材
１１１Ａ エラストマ
１１２ 被覆層
１１３ 接着剤
１１５ 領域
２００ 触覚センサ
２０１，２０２，２０３，２０４ センサ素子
２１０ ブリッジ回路部
２１１ ブリッジ回路
２２１ 増幅器
２３１ Ａ／Ｄ変換器
５００ 金属製の型枠
５０１ 溝部
１０００ ＳＯＩ基板
ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬ４ カンチレバー
Ｅ 直流電源
Ｒ 可動部
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 外部抵抗
Ｓ 支持部
Ｓ１ 出力値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一面に物理量を検出するための検出部を形成する工程と、
前記検出部を取り囲むように高分子材料からなる枠部材を前記基板の前記一面に接着剤により接着する工程と、
前記検出部を被覆するように前記基板上の前記枠部材の内側の空間に流動性の高分子材料を充填する工程と、
前記流動性の高分子材料を硬化させることにより前記枠部材の内側に前記検出部を被覆する被覆層を形成するとともに前記枠部材と前記被覆層とを被覆体として一体化させる工程とを備えることを特徴とするセンサ装置の製造装置。
【請求項２】
前記検出部は可動部を有するセンサ素子を含み、
前記高分子材料からなる枠部材として弾性高分子材料からなる枠部材を用い、前記センサ素子を被覆するように前記枠部材の内側の空間に前記流動性の高分子材料として流動性の弾性高分子材料を充填することを特徴とする請求項１記載のセンサ装置の製造方法。
【請求項３】
前記検出部を形成する工程は、前記基板の前記一面に異なる向きに３つ以上の複数のセンサ素子を形成する工程を含み、
前記複数のセンサ素子の各々は、前記基板の一面から斜め上方に湾曲する前記可動部を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変形により変化する抵抗値を有する抵抗部とを含むことを特徴とする請求項２記載のセンサ装置の製造方法。
【請求項４】
前記複数のセンサ素子を形成する工程は、
前記基板上に第１および第２の膜を順に形成する工程と、
前記第２の膜上の前記可動部に相当する領域に前記第２の膜と異なる熱膨張係数を有する制御層を形成する工程と、
前記第２の膜および前記制御層により前記カンチレバーを形成する工程とを含み、
前記カンチレバーを形成する工程は、
前記可動部下の前記第１の膜の部分を除去することにより前記制御層の内部応力に起因して前記可動部を前記基板の前記一面から斜め上方に湾曲させる工程を含むことを特徴とする請求項３記載のセンサ装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２の膜を半導体材料により形成し、前記可動部の一部領域に不純物を添加することにより前記抵抗部を形成することを特徴とする請求項４記載のセンサ装置の製造方法。
【請求項１】
基板の一面に物理量を検出するための検出部を形成する工程と、
前記検出部を取り囲むように高分子材料からなる枠部材を前記基板の前記一面に接着剤により接着する工程と、
前記検出部を被覆するように前記基板上の前記枠部材の内側の空間に流動性の高分子材料を充填する工程と、
前記流動性の高分子材料を硬化させることにより前記枠部材の内側に前記検出部を被覆する被覆層を形成するとともに前記枠部材と前記被覆層とを被覆体として一体化させる工程とを備えることを特徴とするセンサ装置の製造装置。
【請求項２】
前記検出部は可動部を有するセンサ素子を含み、
前記高分子材料からなる枠部材として弾性高分子材料からなる枠部材を用い、前記センサ素子を被覆するように前記枠部材の内側の空間に前記流動性の高分子材料として流動性の弾性高分子材料を充填することを特徴とする請求項１記載のセンサ装置の製造方法。
【請求項３】
前記検出部を形成する工程は、前記基板の前記一面に異なる向きに３つ以上の複数のセンサ素子を形成する工程を含み、
前記複数のセンサ素子の各々は、前記基板の一面から斜め上方に湾曲する前記可動部を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの変形により変化する抵抗値を有する抵抗部とを含むことを特徴とする請求項２記載のセンサ装置の製造方法。
【請求項４】
前記複数のセンサ素子を形成する工程は、
前記基板上に第１および第２の膜を順に形成する工程と、
前記第２の膜上の前記可動部に相当する領域に前記第２の膜と異なる熱膨張係数を有する制御層を形成する工程と、
前記第２の膜および前記制御層により前記カンチレバーを形成する工程とを含み、
前記カンチレバーを形成する工程は、
前記可動部下の前記第１の膜の部分を除去することにより前記制御層の内部応力に起因して前記可動部を前記基板の前記一面から斜め上方に湾曲させる工程を含むことを特徴とする請求項３記載のセンサ装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２の膜を半導体材料により形成し、前記可動部の一部領域に不純物を添加することにより前記抵抗部を形成することを特徴とする請求項４記載のセンサ装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１０−２０４０６９（Ｐ２０１０−２０４０６９Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３１１０（Ｐ２００９−５３１１０）
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、株式会社国際電気通信基礎技術研究所、地域イノベーション創出研究開発事業「器用な次世代産業用ロボット用の集積多軸触覚センサの研究開発」に係る再委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、株式会社国際電気通信基礎技術研究所、地域イノベーション創出研究開発事業「器用な次世代産業用ロボット用の集積多軸触覚センサの研究開発」に係る再委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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